(57)【要約】【課題】  二関節筋や両脚の股関節角度を考慮し、各関節の角度を協調して監視することにより、より安全で効果的な下肢訓練を行うことができる下肢駆動装置を提供する。【解決手段】  センサによって検出した訓練者の左右の股関節１１、膝関節１２および足関節１３の各角度に応じて、駆動部による股関節の可動範囲を決定する関節角度協調監視部１０を備え左右の股関節１１、膝関節１２および足関節１３の各角度と、それぞれの所定の閾値との大小関係を判定し、その結果に基づいて駆動部による股関節の可動範囲を決定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
訓練者の下腿部を把持する第１のスプリントと、大腿部を把持する第２のスプリントと、前記第１および第２のスプリントを駆動させる駆動部と、前記訓練者の大腿部、下腿部および足関節の各角度を検出するセンサと、前記各角度をもとに前記駆動部を制御する制御部とを備える下肢駆動装置において、
前記センサによって検出した前記訓練者の左右の股関節、膝関節および足関節の各角度に応じて、前記駆動部による股関節の可動範囲を決定する関節角度協調監視部を備えたことを特徴とする下肢駆動装置。
【請求項２】
前記関節角度協調監視部は、前記センサによって検出した前記訓練者の一方の股関節角度と所定の閾値との大小関係を判定した後に他方の股関節角度と前記閾値との大小関係を判定し、その結果に基づいて前記駆動部による股関節の可動範囲を決定することを特徴とする請求項１記載の下肢駆動装置。
【請求項３】
前記関節角度協調監視部は、前記センサによって検出した前記訓練者の一方の股関節角度と所定の第１の閾値との大小関係を判定した後に他方の股関節角度と前記第１の閾値との大小関係を判定し、その後に前記一方の膝関節角度と所定の第２の閾値との大小関係を判定し、その後に前記一方の足関節角度と所定の第３の閾値との大小関係を判定し、それらの結果に基づいて前記駆動部による股関節の可動範囲を決定することを特徴とする請求項１記載の下肢駆動装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記訓練者の股関節角度が前記可動範囲を越えた場合に前記駆動部に対し停止を指令することを特徴とする請求項１乃至３記載の下肢駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下肢機能低下を矯正し、筋・骨格系の機能を改善し、健康状態を維持・改善する目的で関節可動域訓練・筋力増強訓練・持続力増強訓練・協調性訓練・神経筋再教育を行う医学的リハビリテーションにおける運動療法を実施するための肢体駆動装置、あるいは体力向上など健康増進のための訓練を目的とする肢体駆動装置に関し、特に安全機能を備えた下肢駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筋力のストレッチや増強などの訓練を目的としたものに、整形外科で用いられている関節運動装置や、理学療法科で用いられている運動療法装置、健康増進のための訓練装置があった。
その中で、特許文献１の肢体駆動装置の制御装置では、装置に取付けられた肢体の片下肢への負荷を、センシング機能により常に監視する負荷推定部と、肢体への過負荷付近によりインピーダンス定数が変更できるインピーダンス定数変換部とを備え、肢体への過負荷設定領域に入った時点で、肢体駆動装置の動作が持つ全自由度のうち、ある自由度方向へのインピーダンス定数変換部を肢体への負荷が大きくなるに応じて変更し、その自由度方向への動作を仮想的にフリーにしていく手段から成ることを特徴としている。
また、特許文献２では、肢体駆動装置の動きに応じて、駆動する目的以外の関節を固定および解放することができる肢体駆動装置が記載されている。以下に簡単に図を用いて説明する。
図５において、３１は股関節、３２は膝関節であり、３３、３８、３９は装着部、３４は基台である。また３５は装置装着部であり、３６は第１アーム、３７は第２アームである。４０は手動スイッチ、４１はメモリ、４２はサーボアンプ、４３はインピーダンス制御部、４４は制御部、４５は肢体駆動部、４６は関節装着部である。
以上の構成において、臥位姿勢の訓練者の片下肢に対して下肢を駆動することが可能な肢体駆動部４５と、肢体の一部の関節を固定可能な関節装着部４６と、肢体駆動部４５と関節装着部４６とを制御する事が可能な制御部４４とを備え、制御部４４からの指令により肢体駆動部４５を駆動する際に、制御部４４からの指令により関節装着部４６を任意に固定および解放し、また装着部の把持力を変えることが可能な構成にしている。
上記のような肢体駆動装置において、一連の治療動作の中で治療目的以外の関節の固定および解放を任意に行うことができ、関節に付随する筋や腱の状態を考慮した片下肢の駆動が可能になり、関節の拘縮、筋肉の萎縮および筋力トレーニングに大きな効果がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１５４９００号公報
【特許文献２】特開平１０−２５８１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の肢体駆動装置においては二関節筋や両脚の股関節角度を協調させた駆動部の調節を行わず、各駆動軸の角度を規定の範囲によって監視していたため、十分な安全確保をすることができなかった。したがって、この発明の目的は二関節筋や両脚の股関節角度を考慮し、各関節の角度を協調して監視することにより、より安全で効果的な下肢訓練を行うことができる下肢駆動装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、訓練者の下腿部を把持する第１のスプリントと、大腿部を把持する第２のスプリントと、前記第１および第２のスプリントを駆動させる駆動部と、前記訓練者の大腿部、下腿部および足関節の各角度を検出するセンサと、前記各角度をもとに前記駆動部を制御する制御部とを備える下肢駆動装置において、前記センサによって検出した前記訓練者の左右の股関節、膝関節および足関節の各角度に応じて、前記駆動部による股関節の可動範囲を決定する関節角度協調監視部を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項２に記載の発明は、前記関節角度協調監視部は、前記センサによって検出した前記訓練者の一方の股関節角度と所定の閾値との大小関係を判定した後に他方の股関節角度と前記閾値との大小関係を判定し、その結果に基づいて前記駆動部による股関節の可動範囲を決定することを特徴とするものである。
また、請求項３に記載の発明は、前記関節角度協調監視部は、前記センサによって検出した前記訓練者の一方の股関節角度と所定の第１の閾値との大小関係を判定した後に他方の股関節角度と前記第１の閾値との大小関係を判定し、その後に前記一方の膝関節角度と所定の第２の閾値との大小関係を判定し、その後に前記一方の足関節角度と所定の第３の閾値との大小関係を判定し、それらの結果に基づいて前記駆動部による股関節の可動範囲を決定することを特徴とするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記制御部は、前記訓練者の股関節角度が前記可動範囲を越えた場合に前記駆動部に対し停止を指令することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発明によると、下肢駆動装置の可動範囲を柔軟に変更することができ効率的な下肢訓練を行うことができる。
請求項２に記載の発明によると、他方の股関節角度が股関節可動範囲へ及ぼす影響を考慮した効果的な下肢訓練を行うことができる。
請求項３に記載の発明によると、股関節、膝関節、足関節の各角度や二関節筋が股関節可動範囲へ及ぼす影響を考慮した効果的な下肢訓練を行うことができる。
請求項４に記載の発明によると、訓練者に過大な負荷がかかることなく安全に下肢訓練を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は本発明の下肢駆動装置の構成を示す図である。図１において、１は訓練者、２Ｒは訓練者１の右下腿部を把持する右下腿スプリント、２Ｌは訓練者１の左下腿部を把持する左下腿スプリント、３aＲ、３bＲは右下腿スプリント２Ｒを駆動させる右下腿駆動部、３aＬ、３bＬは左下腿スプリント２Ｌを駆動させる左下腿駆動部、４Ｒは訓練者１の右大腿部を把持する右大腿スプリント、４Ｌは訓練者１の左大腿部を把持する左大腿スプリント、５Ｒは右大腿スプリント４Ｒを駆動させる右大腿駆動部、５Ｌは左大腿スプリント４Ｌを駆動させる左大腿駆動部、７aＲ、７bＲ、７cＲはそれぞれ訓練者１の右大腿部、右下腿部、右足関節の各角度を計測する右角度センサ、７aＬ、７bＬ、７cＬはそれぞれ訓練者１の左大腿部、左下腿部、左足関節の各角度を計測する左角度センサであり、９は下肢駆動装置本体である。
図２は本発明の下肢駆動装置のブロック図である。８は角度センサ７aＲ、７bＲ、７cＲ、７aＬ、７bＬ、７cＬによって検出された各角度をもとに下腿駆動部３aＲ、３bＲ、３aＬ、３bＬおよび大腿駆動部５Ｒ、５Ｌを制御する制御部、１０Ｒは駆動部による訓練者１の右股関節の可動範囲を決定する右関節角度協調監視部、１０Ｌは駆動部による訓練者１の左股関節の可動範囲を決定する左関節角度協調監視部である。
【０００９】
以上の構成において、医師や理学療法士等が訓練者１を下肢駆動装置本体９に移乗させ、訓練者１の下腿を下腿スプリント２Ｒおよび２Ｌに、大腿を大腿スプリント４Ｒおよび４Ｌに固定し、図示しない操作パネルにて訓練パターンを設定する。
制御部８に訓練パターンを記憶させた後、記憶した訓練パターンを制御部８より読み出し下腿駆動部３aＲ、３bＲ、３aＬ、３bＬ、大腿駆動部５Ｒ、５Ｌを駆動させ、繰り返し訓練を行う。
この訓練の間、制御部８は訓練者１の左右の股・膝・足関節の各角度が関節可動域を越えて危険な状態にならぬように、角度センサ７aＲ、７bＲ、７cＲ、７aＬ、７bＬ、７cＬによって検出された訓練者１の右股関節角度１１Ｒ、左股関節角度１１Ｌ、右膝関節角度１２Ｒ、左膝関節角度１２Ｌ、右足関節角度１３Ｒ、左足関節角度１３Ｌの各角度を監視する。
さらに制御部８は左右の股関節角度がそれぞれ右関節角度協調監視部１０Ｒ、左関節角度協調監視部１０Ｌにて決定される可動範囲内であるかどうか比較し、可動範囲を越えた場合は駆動部を一時停止させることにより、訓練者１の安全を確保する。このことにより、より効果的で安全な訓練をできるようにする。以下、訓練する下肢を右脚として説明する。
【００１０】
図３は本発明の右関節角度協調監視部１０Ｒにおける右股関節の可動範囲決定の第１の例を示すフロー図である。図３において、図１、図２と重複する符号は同一のものを指す。Ａ、Ｄ、Ｇは右関節角度協調監視部１０Ｒにより決定される駆動部による右股関節可動範囲であり、予め設定しておく。
αは股関節角度の閾値であり、予め定められている。１４は股関節角度１１Ｒと閾値αとの大小関係を判断する処理、１５は他方(この場合は左)の股関節角度１１Ｌと閾値αとの大小関係を判断する処理である。右関節角度協調監視部１０Ｒは、αと左右の股関節角度の大小関係によって、予め設定された複数の右股関節可動範囲Ａ、Ｄ、Ｇの中から適用する右股関節可動範囲を動的に選択し、制御部８へと出力する。右股関節角度１１Ｒがこの可動範囲から逸脱した場合は制御部８は駆動部を一時停止させる。
例えばα＝０°とし、右股関節可動範囲Ａが−１５°〜１２０°、Ｄが−１５°〜１００°、Ｇが−１０°〜１３５°であった場合、各股関節角度と駆動部の動作との関連は表１のようになる。
【００１１】
【表１】
2005168633.tif 000003
【００１２】
このようにすることで、左股関節角度１１Ｌの影響を考慮した右股関節の可動範囲を決定することができる。なお、訓練する下肢が左脚の場合は、以上の説明と左右を逆にした同様の股関節角度監視を行う。
【実施例２】
【００１３】
図４は本発明の右関節角度協調監視部１０Ｒにおける右股関節の可動範囲決定の第２の例を示すフロー図である。図４において、図１、図２と重複する符号は同一のものを指す。Ａ〜Ｇは右関節角度協調監視部１０Ｒにより決定される駆動部による右股関節可動範囲であり、予め設定しておく。
図４において、βは膝関節角度の閾値、γは足関節角度の閾値であり、それぞれ予め定められている。１６は股関節屈曲時の膝関節角度１２Ｒと閾値βとの大小関係を判断する処理、１７は股関節伸展時の膝関節角度１２Ｒと閾値βとの大小関係を判断する処理、１８は股関節屈曲・膝関節伸展時の足関節角度１３Ｒと閾値γとの大小関係を判断する処理、１９は股関節伸展・膝関節伸展時の足関節角度１３Ｒと閾値γとの大小関係を判断する処理である。右関節角度協調監視部１０Ｒは、αと左右の股関節角度の大小関係、βと右膝関節角度１２Ｒの大小関係、γと右足関節角度１３Ｒの大小関係によって、予め設定された複数の右股関節可動範囲Ａ〜Ｇから適用する右股関節可動範囲を動的に選択し、制御部８へと出力する。右股関節角度１１Ｒがこの可動範囲から逸脱した場合は制御部８は駆動部を一時停止させる。
例えばα＝０°、β＝３０°、γ＝−５°とし、右股関節可動範囲Ａが−１５°〜１２０°、Ｂが−１５°〜９０°、Ｃが−１５°〜７５°、Ｄが−１５°〜１００°、Ｅが−１５°〜７０°、Ｆが−１５°〜５０°、Ｇが−１０°〜１３５°であった場合、各股関節角度と駆動部の動作との関連は表２のようになる。
【００１４】
【表２】
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【００１５】
このようにすることで、二関節筋による影響を考慮した右股関節の可動範囲を決定することができる。なお、訓練する下肢が左脚の場合は、以上の説明と左右を逆にした同様の股関節角度監視を行う。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、リハビリテーションや体力増進のための訓練装置などの用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の下肢訓練装置の構成を示す図。
【図２】本発明の下肢訓練装置のブロック図。
【図３】本発明の右関節角度協調監視部１０Ｒにおける右股関節の可動範囲決定の例を示すフロー図。
【図４】本発明の右関節角度協調監視部１０Ｒにおける右股関節の可動範囲決定の例を示すフロー図。
【図５】従来の肢体駆動装置の構成を示す図。
【符号の説明】
【００１８】
１  訓練者
２Ｒ  右下腿スプリント
２Ｌ  左下腿スプリント
３ａＲ  右下腿駆動部
３ｂＲ  右下腿駆動部
３ａＬ  左下腿駆動部
３ｂＬ  左下腿駆動部
４Ｒ  右大腿スプリント
４Ｌ  左大腿スプリント
５Ｒ  右大腿駆動部
５Ｌ  左大腿駆動部
７ａＲ  右角度センサ
７ａＬ  左角度センサ
７ｂＲ  右角度センサ
７ｂＬ  左角度センサ
７ｃＲ  右角度センサ
７ｃＬ  左角度センサ
８  制御部
９  下肢駆動装置本体
１０Ｒ  右関節角度協調監視部
１０Ｌ  左関節角度協調監視部
１１Ｒ  右股関節角度
１１Ｌ  左股関節角度
１２Ｒ  右膝関節角度
１３Ｒ  右足関節角度
１４  股関節角度と閾値との大小判定
１５  他方股関節角度と閾値との大小判定
１６  膝関節角度と閾値との大小判定
１７  膝関節角度と閾値との大小判定
１８  足関節角度と閾値との大小判定
１９  足関節角度と閾値との大小判定
３１  股関節
３２  膝関節
３３、３８、３９  装着部
３４  基台
３５  装置装着部
３６  第１アーム
３７  第２アーム
４０  手動スイッチ
４１  メモリ
４２  サーボアンプ
４３  インピーダンス制御部
４４  制御部
４５  肢体駆動部
４６  関節装着部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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